Elektromobilität: Ladeinfrastruktur und Netzsicherheit zusammen denken
Die Zahl der E-Auto-Neuzulassungen steigt – und damit auch die Bedeutung von Ladeinfrastruktur und Konzepten zur Netzsicherheit. In einem Projekt wird deshalb ein Ladesystem mit dezentralen Erneuerbaren Energien und stationärem Speicher erforscht.
18.02.2021 – Die Elektromobilität ist in Deutschland zurzeit auf der Überholspur. 2020 nahm die Anzahl der neu zugelassenen Pkw mit reinem Elektroantrieb gegenüber dem Vorjahr um stolze 206 Prozent zu, insgesamt waren es fast 400.000 E-Autos. Das Ziel der Bundesregierung von sieben bis zehn Millionen zugelassenen Elektrofahrzeugen bis 2030 rückt in greifbare Nähe. Das ging im Januar aus den Zulassungsdaten des Kraftfahrt-Bundesamtes hervor.
Doch mit der stark steigenden Zahl von Stromern auf Deutschlands Straßen werden auch eine ausgeklügelte Ladeinfrastruktur und Konzepte zur Netzsicherheit immer bedeutsamer. Denn die Elektroautos werden häufig nach Arbeitsbeginn oder Feierabend geladen, weswegen sie in diesen Zeiten Lastspitzen im Stromnetz verursachen. Dies ließe sich vermeiden, wenn die gesamte Standzeit zum Laden genutzt wird. Schließlich liegt die Fahrzeit im Durchschnitt nur bei 45 Minuten pro Tag – womit der Ladevorgang auf über 23 Stunden verteilt werden könnte.
Diesem Problem widmen sich die Forscher des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) zusammen mit mehreren Partnern im Projekt SKALE. Gemeinsam wollen sie ein skalierbares Ladesystem entwickeln, das neben einer Photovoltaikanlage auch über einen stationären Lithium-Ionen Speicher sowie Anschluss an das Mittelspannungsnetz verfügt.
Lastspitzen vermeiden und Netzstabilität erhöhen
Eine dezentrale erneuerbare Energieerzeugung soll mit einem intelligenten Lademanagement und stationärem Batteriespeicher kombiniert werden, um Lastspitzen zu verhindern und einen Beitrag zur Stabilität des Stromnetzes zu leisten. Um Ladeleistung und Wirkungsgrad zu steigern sowie Kosten zu senken wird die gesamte Energieflusskette betrachtet. Die Forscher berücksichtigen neben der netzseitigen Bereitstellung des Stroms auch die bedarfsgerechte Zwischenspeicherung, Verteilung und Wandlung im Batteriespeicher sowie die Fahrzeugbatterie und eine eventuelle Rückspeisung ins Netz.
„Der neue Ansatz soll eine zukunftsweisende Infrastrukturlösung für beliebige Parkflächen mit einer Vielzahl an Ladepunkten bieten und dezentrale Energiequellen effizient einbinden“, erklärt Marc Hiller vom Elektrotechnischen Institut des KIT.
Derzeit werden Elektroautos entweder über Wechsel- oder Gleichstrom geladen. Dabei reduziert das Laden mit Wechselstrom die Ladeleistung aufgrund der notwendigen Wandlung in Gleichstrom im Fahrzeug – und damit auch den Wirkungsgrad des Ladevorgangs. Dagegen ist beim direkten Laden mit Gleichstrom die Ladeelektronik in den Ladesäulen verbaut, was die Ladeleistung und den Wirkungsgrad erhöht. Jedoch sind die Kosten einer solchen Ladeinfrastruktur deutlich höher.
Die gesamte Energieflusskette betrachten
„Das Problem ist, dass sich beide Ladekonzepte entweder nur auf das Fahrzeug oder nur auf einen Teil der Infrastruktur konzentrieren, nicht aber die gesamte Energieflusskette betrachten“, erläutert Nina Munzke vom KIT. Deshalb solle die netzseitige Leistungselektronik teilweise zentralisiert, ein Pufferspeicher eingesetzt, Lastflüsse zentralisiert und die Energie in einem Gleichspannungsnetz verteilt werden. Dies führe nicht nur zu Kosteneinsparungen und einer hohen Skalierbarkeit, sondern auch zu einer besseren Flexibilität des Anwendungsortes und einer höheren Effizienz.
Im Rahmen des Projekts will das KIT nun gemeinsam mit seinen Partnern Robert Bosch und Power Innovation Stromversorgungstechnik einen Prototyp der Ladeinfrastruktur aufbauen. Sie errichten zehn Ladeplätze und kombinieren diese mit einer PV-Anlage mit einer Leistung von etwa 100 Kilowatt-Peak und einen Batteriespeicher mit einer Kapazität von rund 50 Kilowattstunden. Die praktischen Erfahrungen wollen sie dann zur Optimierung bei Errichtung und Betrieb von Ladeinfrastrukturen einsetzen. jk
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